關(guān)鍵詞：forms heavy metal, bioavailability, physical and chemical properties of soil

一、土壤理化性質(zhì)對(duì)重金屬的影響

土壤重金屬的行為，如生物有效性、毒性等，在很大程度上是由土壤理化性質(zhì)所影響。重金屬在土壤中的總量通常不能充分說明重金屬的化學(xué)活性、遷移性、生物可給及其對(duì)生物體或生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的最終影響。重金屬形態(tài)的生物有效性的危害程度可以表示為：可交換態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞殘?jiān)鼞B(tài)。

1.土壤pH值

一般土壤pH值的變化范圍在4-9.它會(huì)直接影響土壤結(jié)構(gòu)、肥力、有機(jī)體，同時(shí)對(duì)重金屬在土壤中的存在形態(tài)有著重要影響。它的變化會(huì)引起土壤電荷特性的改變、吸附與解吸、沉淀溶解等多重因素的變化，進(jìn)而對(duì)重金屬在土壤中的形態(tài)產(chǎn)生影響。

一般情況下，土壤pH值與可交換態(tài)重金屬含量呈負(fù)相關(guān)，而與碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)重金屬呈正相關(guān)。一般隨著土壤pH值的升高，土壤中氧化物、礦物等物質(zhì)表面的負(fù)電荷數(shù)量會(huì)增加，增大了對(duì)可交換態(tài)重金屬的吸附。隨著土壤pH值的升高，土壤中存在的有機(jī)物-重金屬絡(luò)合物會(huì)逐漸穩(wěn)定，有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬含量增多，同時(shí)pH值的升高還會(huì)促使鐵錳等陽離子與氫氧根形成沉淀，進(jìn)而使鐵錳氧化態(tài)增多。

2.土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)指土壤中含碳物質(zhì)的統(tǒng)稱，包括土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w以及分解或合成的各種留在土壤中的含碳物質(zhì)。有機(jī)質(zhì)影響土壤中重金屬形態(tài)的原因主要是其含有大量的活性官能團(tuán)，如羥基、羧基等，在釋放出氫離子后自身帶負(fù)電荷，對(duì)于帶正電的金屬離子有很強(qiáng)的吸附作用和離子交換作用。還有有機(jī)質(zhì)可以間接增大土壤的pH值，增大土壤對(duì)于重金屬離子的吸附作用。

有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分解為富里酸、腐殖酸、干酪根和黑色碳物質(zhì)。

3.土壤氧化還原電位

氧化還原電位（Eh），土壤中還原態(tài)、氧化態(tài)的物質(zhì)在電極上（貴金屬鈀Pt）達(dá)到平衡時(shí)的電極電位。Eh通過改變土壤中重金屬離子價(jià)態(tài)來影響土壤中的物質(zhì)形式。一般來說，比較干旱的土地正常的氧化還原電位為200-750mV，而水田為200-400mV。土壤中的氧化劑如氧氣，還原劑如有機(jī)質(zhì)，這是氧化還原反應(yīng)成為土壤中的常態(tài)。適當(dāng)提高土壤氧化還原電位或者在土壤中添加一些氧化物質(zhì)可以有效地降低重金屬的生物有效性。五價(jià)砷的毒性高于三價(jià)砷、六價(jià)鉻的毒性高于三價(jià)鉻，在土壤中添加鐵或三價(jià)鐵離子都可將五價(jià)砷和六價(jià)鉻轉(zhuǎn)化為弱毒性的三價(jià)砷、三價(jià)鉻。

4.土壤中黏土礦物

黏土礦物是硅鋁酸鹽，定義為組成土壤、沉積物和巖石的膠體部分的礦物質(zhì)。常見的天然黏土礦物有伊利石、高嶺石、海泡石、綠泥石、膨潤(rùn)土、沸石、蒙脫石、凹凸棒等，通常情況下，黏土礦物占土壤固相成分1/3.黏土物質(zhì)對(duì)鎘、汞、鋅、鉛、鉻等重金屬有很強(qiáng)的吸附作用。

二、土壤電修復(fù)

電泳是指在電場(chǎng)作用下，溶膠粒子在分散介質(zhì)中的定向移動(dòng)現(xiàn)象。電泳和電滲屬于膠體的電動(dòng)現(xiàn)象。電動(dòng)現(xiàn)象是指溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)與電性能之間的關(guān)系。一般包括電泳、電滲、流動(dòng)電位與沉降電位。電動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于雙電層結(jié)構(gòu)的存在，其緊密層和擴(kuò)散層中各具有相反的剩余電荷，在外電場(chǎng)或外加壓力下，它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。電滲加固法因其具有擾動(dòng)小，噪音低，固結(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)而擁有著很大的發(fā)展?jié)摿?，但是它在工程?shí)踐中的應(yīng)用卻一直不能得到推廣。

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從傳統(tǒng)電滲試驗(yàn)入手，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，對(duì)電滲加固法進(jìn)行系統(tǒng)的研究和分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，傳統(tǒng)電滲加固法能夠?qū)ν馏w的加固產(chǎn)生一定的作用，使土體的含水率降低，不排水抗剪強(qiáng)度提高，但也存在很多問題如電能利用率低，土體固結(jié)效果很不均勻，易達(dá)到電滲平衡點(diǎn)，土體裂隙發(fā)展迅速等。綜合分析得出制約電滲效率的三個(gè)主要因素，即負(fù)孔隙水壓力的發(fā)展、土體的電阻率不斷增大和界面電阻的存在。

1.直流電源設(shè)計(jì)

電源框圖見圖1,三相交流電源輸入經(jīng)輸入三相變壓器隔離、相序檢測(cè)、整流、濾波變換成直流電壓,再經(jīng)低壓變壓器隔離、極性變換控制、輸出100 V/200A的直流輸出。

電源主要參數(shù)包括：輸入交流電壓：三相380VAC(-20%～+15%)，50Hz(±10%);額定輸出電流：0～300A;輸出電壓：0～100V;整機(jī)效率：η≥90%。

在上述輸出的電流范圍內(nèi)，電流跟據(jù)負(fù)載變化，并有“過壓”、“過流”保護(hù)。電源能定時(shí)自動(dòng)倒向(即正、負(fù)極切換)，其時(shí)間可設(shè)定，范圍設(shè)為0～15分鐘可調(diào)。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

連續(xù)通電3天，此時(shí)土體已經(jīng)產(chǎn)生較寬裂縫[1]，交換電極正負(fù)極，希望提高土體固結(jié)均勻度[2];連續(xù)通電0.5天，排水量幾乎為零時(shí)，再次交換電極極性;分別以通電3小時(shí)，停2小時(shí)和通電2小時(shí)停2小時(shí)的方式，各持續(xù)一天，如此間歇仍然能達(dá)到此前連續(xù)通電一天的效率，但提高不大;將一根新銅棒作為新陽極插在原陽極附近，通電6天;將原來電蝕的陽極銅管拔出(不包括土工布)，放置在新位置，再連續(xù)通電4天后斷電。

3.電流及電能損耗分析

電流隨著時(shí)間的變化逐漸減小[3]。具體而言，選用裹上土工布的銅管作為陽極和直接選用紫銅作陽極兩個(gè)階段的情況相比較，不難看出，電流下降速度較緩，也就是說有效排水的時(shí)間較長(zhǎng)。

交換電極極性后，在幾分鐘之內(nèi)降為零，排水效率也幾乎為零，分析認(rèn)為，陽極端土體排水固結(jié)速度較快，顯現(xiàn)干硬狀態(tài)，而導(dǎo)電性銳減[4]，導(dǎo)致陽極與土體接觸的界面電阻突然變大，結(jié)果極大地降低了電滲的效率。

在間歇通電時(shí)間階段，分別采取了通三小時(shí)停兩小時(shí)，通兩小時(shí)停兩小時(shí)的通電方案，同樣，通電初電流能恢復(fù)較大值，如200A 左右，半小時(shí)后就降為5A，電流一旦小下來，電滲的效率也就微乎其微了，排水量勉強(qiáng)可以和間歇通電前一天的排水量相等。擬通過一定間隔的時(shí)間讓土體的含水率分布有一個(gè)自然調(diào)整的過程，從而在下次通電過程中更有效地利用電能。

4.現(xiàn)場(chǎng)土體有效電勢(shì)觀測(cè)

電滲后土體的固結(jié)很不均勻，總的來說符合陽極處沉降較大陰極處較小的特點(diǎn)，靠近陽極比靠近陰極有效電勢(shì)要大，接近陰極，沉降量最大。裂縫處，由于裂縫且含水率較高的原因塌陷較大，但它們隨著陽極的變干而隆起，沉降量反而顯得小[5]。針對(duì)這種情況，試驗(yàn)過程中考慮過采用交換電極的陰陽極的方式來改善，受傳統(tǒng)電極固有缺陷的影響[6]，效果并不理想。

5.分析與思考

本實(shí)驗(yàn)嘗試多種手段，如交換電極，間歇通電等進(jìn)行了一組典型的傳統(tǒng)單一電滲試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果來看，電滲降水后土體的平均含水率相對(duì)于初始含水率減少了30%，最低處相對(duì)電滲前減少的比例達(dá)到60%。加固取得一定效果;但是并不理想，采用的多種手段更是進(jìn)一步暴露了傳統(tǒng)單一電滲過程中存在的各個(gè)問題，具體歸納如下。

(1)陽極表面電蝕嚴(yán)重，很多學(xué)者認(rèn)為電極的嚴(yán)重電蝕在很大程度上影響陽極的導(dǎo)電性，但是從本實(shí)驗(yàn)過程可以看出，已產(chǎn)生電蝕的電極在土體中新的位置上仍能發(fā)揮較大的作用，延續(xù)電滲的排水效率，同時(shí)與土體接觸的界面電阻也未見較大幅度的增大，可見電極的電蝕會(huì)在一定程度上影響電滲效率，但不是主要因素。

(2)電極與土體接觸面電勢(shì)損失較大，界面電阻的存在影響較大。

(3)陽極周圍排水固結(jié)速度較快，土體迅速干硬，試驗(yàn)后陽極周圍土體，呈現(xiàn)較好的結(jié)構(gòu)性，隨著電滲過程的進(jìn)行，土體產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，越接近陽極處，該負(fù)孔隙水壓力越大，土體已從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，由此導(dǎo)致較高的不排水抗剪強(qiáng)度。

(4)土體產(chǎn)生許多縱向裂縫，因?yàn)橥馏w上部沒有任何荷載，一方面土體中水分排出，另一方面電泳過程伴隨電滲發(fā)生，少量土顆粒向陽極端運(yùn)移，造成土體陽極處和陰極處都產(chǎn)生較大和較深的縱向裂縫。裂縫的存在加大了土體的電阻率，同時(shí)阻礙了電流的有效傳遞。

6.制約電滲效率進(jìn)一步進(jìn)行的主要因素有三個(gè)方面

陽極附近的負(fù)孔壓也就是吸力逐漸增大，并與陰極端產(chǎn)生的較小的負(fù)孔壓形成壓力梯度[7]，使水趨向于由陰極向陽極移動(dòng)，這與原來的電滲流方向相反，當(dāng)二者產(chǎn)生的水力坡降相等時(shí)，電滲就達(dá)到平衡，效率也就趨于零。

隨著土體中裂隙的發(fā)生，和土體本身含水率的降低，土體本身的電阻率越來越大，從而進(jìn)一步影響土體中電滲的主要驅(qū)動(dòng)力——電流的減小，使得電滲效率變低。

電極與土體接觸端較大的界面電阻的存在，使得實(shí)際傳到土體中的有效電勢(shì)大大減小，一定程度上降低了電滲效率，電能利用率降低。

7.結(jié)語

通過從排水量、電流、有效電勢(shì)、沉降、土體各項(xiàng)性質(zhì)指標(biāo)、及試驗(yàn)后土體和電極情況等多個(gè)方面，考察了傳統(tǒng)單一電滲實(shí)驗(yàn)的效果，認(rèn)為傳統(tǒng)單一電滲法能夠?qū)ν馏w的加固產(chǎn)生一定的作用，但是其效果總是受著某些因素的制約。通過對(duì)試驗(yàn)中各個(gè)現(xiàn)象的系統(tǒng)分析，提煉出制約電滲效率的三個(gè)主要因素，即負(fù)孔隙水壓力的發(fā)展、土體電阻率的不斷增大和界面電阻的存在。